简论GPS定位系统及全站仪在矿区测量中的运用
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摘要：本文结合工作实践经验，介绍了gps、全站仪测量外业观测和内业计算的一些方法，提出了有关注意事项，论述了现代GPS定位系统及全站仪高质量、高效益的特点。
1、前 言
在矿区的测量工作中,经常要进行控制测量、地形测量、地质勘探工程测量等,在控制点较密，通视条件良好时，我们一般采用常规测量的方法如全站仪三维坐标法、极坐标法、交会法进行。在不同的施测阶段，有时控制点少、通视条件差等闲素，会给野外测量工作造成很大困难。尤其是在钻孔定位、工程点定位测量中这一问题更为突出。怎样充分发挥测量仪器的作用和合理组织观测人员，是减少劳动强度和缩短外业工作时间的关键。为提高测量效率解决实际问题，结合笔者的工作实际对野外矿山测量中各作业流程中GPS的运用情况及技术、作业方法进行探讨。
2、作业方法
2.l控制测量
这里只介绍三台单频GPS配置的运用。单频GPS一般只测20公里以内的基线。按照作业和技术依据，为适合D、E级GPS网精度要求。GPS采用静态相对定位进行高精度测量定位，施测作业时间可不受气候影响。 设计作业方案时,选点布网应综合运用现有地形图，选点应选在便于观测作业和今后的运用，同时在首级控制网中可适当考虑定向方便，在控制点较近的范围内增加一定数量的定向点，方便近距离、气候不佳时可通视、可实时进行测站附近小范围测量作业，但对网中距离较近的点一定要进行同步观测，以便获得它们之间直接观测基线，整体平差，提高整个网精度，考虑实用测站应选在交通便利，上点方便的地方，减少不必要的搬站时间。基线向量的布网形式应采用同步图形扩展式，观测作业方式可采取混联式(点连式、边连式)。该作业方式具有作业效率高，图形强度好的特点，它是目前在GPS测量中普遍采用的一种布网形式。起算点应选择三个以上国家控制点，当不能保证三个时可考虑联测邻近矿区质量好的控制点,这样既可保证新老成果一致性也能保持GPS网原有的精度。以利于可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。出发点是在保证质量的前提下尽可能地提高效率努力降低成本。
局部控制测量:在离国家控制远小范围的区域进行控制测量和加密，或由于人为破坏补做控制点进行低精度测量时，在测量工作实施中采用相对定位法，网形为三角形和星形。星形网观测可不必同时开关机，但确保任意两台之间有固定基线解。作业模式可用快速静态相对定位模式，该模式作业速度快、精度高,但可靠性差。用该控制点成果进行地质点定位时，可符合到已知点检核。
图根控制测量：完成等级控制测量后，可用辐射法布设图根点，点位及点之密度完全按需要而测设。图根控制测量和地质点实测、地形图碎部测图可同时进行，即使使用全站仪做图根点的符合导线测量,在观测中只作一次往测，读数读一次,在2公里的范围内 直接用最后反测数值和已知点比较误差在范围内，也可做支导线，设站不超过5站。这里不同的是全站仪测角和测边，按控制测量规范进行,不经过平差可以象一般观测那样去做，但经过实践其可靠性较好。
理论上利用全站仪进行3维坐标测量时,角度只用正镜位测半个测回，而全站仪测角精度指标是一测回水平方向中误差， mβ=2μ测距误差主要由全站仪测距中误差和对中杆的位置误差两部分组成，测距中误差可由全站仪的标称精度Md=±(A+BD),式中A为固定误差，以mm为单位，B为比例误差系数以mm/km为单位，D为被测距离以km为单位，目前测绘生产单位配备的测图用全站仪的测距标称精度大多为Md=3mm+2mm/km×D。
根据误差传播定律写出中误差平方关系式：
Mx2=cos2βMd2+D2sin2βMβ2
My2=sin2βMd2+D2cos2βMβ2
M=
此式是点位中误差(M2x M2y )与角度中误差Mβ，距离中误差Md及距离D的关系式。在进行3维坐标测量时， 测边的水平距离小于500m时点位精度达到5cm以下是不困难的,认真操怍可达到网根点控制精度要求。在开展地质点实测和地形图修测时用全站仪对测站点和定向点检查。但是如果测区内树木楼房高而多、障碍多、干扰大导致GPS测站经常失锁或采集精度严重受损则适合用全站仪进行数据采集最好,采用二者相结合的方法以发挥各自优势做到资源的最优配置。
2.2地质点、地形图碎部测量
野外数据采集的办法必须准确可靠,地质点定位中，三维坐标法是测定地质点位置和地形图修测、碎部点采集快速的最常用方法。其它有极坐标法、方向交会法、距离交会法、直角坐标法、直线支距法。
为提高工作效率，还需在实践中探索总结不同方法，避免重复或多余的外业工作。
2.3不按常规的数据采集方法
在野外测量中，矿区面积大，交通不方便，到作业区困难，按常规是在有控制点成果并且点位实地还存在，在确保远距离定向(气候变化)准确时才进行数据的采集。在此就少量地质工程点、钻孔定位；地形图修测；外业由于错用测站等几种情况分别简要论述。通常前两个工作过程是在没有控制点情况下进行作业，而错用测站通过内业改正。
2.4 少量地质工程点、钻孔定位
在人员和设备到位时，可同时进行工作，测点附近假设两个控制点，通过GPS按点连式加密控制点但不能实时处理数据，是棘手问题之一。用全站仪架设在没有控制成果控制点上，测出两点间距离S高差Z。假设两个控制点坐标，一般以测站为原点（x=0.0，y=0.0，h=0．0），定向点为正北方向(x=0.O，y=s，h= z)建立独立的坐标系。测定待测点坐标。结束外业工作后，通过GPS平差软件TGO处理数据，得到控制成果，在运用GPS平差软件或测图软件坐标转换功能对全站仪实测点进行转换。提到待测点平面二维坐标，高程可从全站仪数据管理模块中查到高差和测站控制点高程求得。为计算有检核可用计算器或EXCEL制表软件编程计算最终成果应及时展到地形地质图上对位置和高程进行检核。
2.5 地形图修测
在测图工作中，地形图修测和局部大比例尺数字化测图工作，一般需要的内外业工作量大，工期短。按常规应先做控制后测图。此时可考虑人员和作业条件，控制测量和测图工作可同时进行：先测图后控制的做法。即在没有或未做完整体控制情况下，就先期进行碎部测量。因GPS控制测量可全天候作业。在未知假定坐标的测站上设站， (测站位置在便于上点观测地方，不一定是控制点)。假定的定向点定向，测站点和定向点分别做一个标记(标记要牢固不能以后找不到)。待以后控制点完成后，及时测定测站点定向点实际真实坐标。但要注意测图工作应分区作业，分区的原则是各区之间的数据(地物)尽可能地独立。即在一定的范围内，建立独立坐标系，避免误差的积累同时便于数据检查，发现野外测图工作中精差、错误。一般测图由全站仪按作业自动记录现场碎部点的坐标与高程。作业中主要问题是采集地物属性与连接关系的信息。外业应在现场对碎部点的编号、确定属性与连接关系及绘制草图详细记录。保证正确性提高工作效率。结束一天数据采集后，应及时内业数据处理与成图。数据传输的原始坐标文件一定要备份。不同厂家的全站仪有不同的数据格式以后可通过各种测图软件转换成不同的数据格式，供绘图使用。
通常矿区中测图侧重地形，而地物相对较少。目前数字测图软件功能愈来愈强大，运用南方地形地籍软件CASS70的“草图法”工作方式内业成图。因坐标系为假定的，在此可对地形有一个相对位置及时记录参考：根据野外作业草图，参考CASS的地物代码以及文件格式，编辑好引导文件。“编码引导文件+无码坐标数据文件”自动绘图方式。编码引导文件对地物属性和连接关系及时正确记录。测定测站点定向点真实坐标后，进行坐标转换到国家统一坐标系。此时可应用EXCEL制表软件，对高程加一常量(实际高程与假定同程之差)处理。并保存为CASS坐标数据文件，格式采用 .DAT格式，按“编码引导”法作业流程成图。
2.6手持GPS定位
在野外地质测量中小巧方便的手持GPS机能够起到辅助定点和导航的重要作用，是新时期实现现代化数字地质调查的基础设备之-。但其应用受周围环境及地形的影响使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响甚至接受机无法捕获卫星或接收不到卫星的信号，使定位精度大大降低。使用中避免沟谷、陡崖、树木、房屋密集地方。保证接受到四颗以上的卫星。读取到有效数据。而使用手持GPS接收机观测地方坐标，要求得WGS一84坐标和54北京坐标系的转换参数，由于不同坐标系之间存在着平移和旋转的问题，因此, WGS-84坐标系和54北京坐标系转换是使用手持GPS接收机直接测量矿区地方坐标必须解决的问题。eTrexf（小博上)手持GPS接收机内部设置了WGS-84坐标系统和北京54坐标系系统的五个转换参数，这就要计算出仪器预置的五个参数(DX、DY、DZ、DA、DF)才能进行坐标转换测量。但是，在矿区附近没有WGS一84坐标系统和1954北京坐标系对应的坐标可以采用，要求得以上坐标参数相当困难。一般经验做法是：开机后设置仪器单位，位置格式选用‘‘USERUTM GRID”参数输入为：“LON―G1TUDE”输人投影比例数值1，“FALSEE”输入东西偏差数值500000等仪器参数。地图基准选用“USER”，参数输入：A=-108,DF=0.0000005，由于DX、DY、DZ三个参数因地区而异，分别输入0。所有参数设置后，选取矿区范围内的已知三角点控制点进行测量检验，所测量坐标和已知坐标及两者差值，使用前以该地区在已知的多个控制点上修正校准。经过测算．在三维导航误差小于6m时，X与实际值最大差值5m,Y与实际值最大差值5m,符合手持GPS接收机单机定位精度小于10m要求。基本能够满足地面低精度测量数据在1：5000地形图上的应用。
3、结束语
现代测量是计算机学和测量学两门学科的交叉学科，这就要求我们不仅要有测量学的知识，而且还要有计算机学科的知识不仅对―些软件熟悉，而且还要精通一两门计算机语言。用全站仪、GPS进行测量工作的各种技术已越来越成熟，但是在实践操作中还需要我们不断地发现问题和解决问题。如数据的实时传输、各种应用软件数据格式的转换、如何用全站仪做控制测量等，还需我们更进一步去研究和解决。